不同秸稈還田方式對土壤酶活性和玉米產量的影響

劉瑋斌，田文博，陳 龍，劉亞亮，于 寒，谷 巖

（吉林農業大學農學院，吉林 長春 130118）

土壤酶主要由植株凋落物、植物根系、殘留根系和微生物產生，對土壤物質循環和能量代謝起著重要的催化作用，它是評估土壤肥力的指標，可以真實和間接地反映土壤養分條件［1］，也可用來評估耕作方法和肥料的效果［2］，其活性與土壤質地、土壤水熱條件、施肥情況和土壤養分有關。通過秸稈還田既可以解決秸稈焚燒污染環境的問題，還有助于土壤有機質積累，對土壤物理性狀有顯著改善作用，促進土壤團聚作用，增強土壤蓄水能力［3］。當前吉林省主要采用的秸稈還田方式有深翻還田、粉碎還田、覆蓋還田和留高茬還田［4］。研究表明不同秸稈還田方式對土壤物理性狀、土壤水分和土壤酶活性有顯著影響［5-6］。當秸稈還田時，可以增加土壤氮和碳的供應，從而增加脲酶和蔗糖酶活性［7］；隋鵬祥等［8］研究表明秸稈覆蓋還田與翻耕還田均增加了表層土壤酶活性；而另一些研究表明，秸稈覆蓋還田對表層土壤酶活性影響差異不顯著［9］。劉蘭清［10］、戰秀梅等［11］研究發現秸稈還田能夠改善土壤理化性質，促進農田生態系統良性循環，進而對作物產量有著顯著提高作用。

近年來，不同秸稈還田方式對土壤酶變化研究已有報道，而結合作物生育期的不同還田方式的酶活性研究則鮮見。本研究在長春市九臺區農業推廣中心設置試驗，研究秸稈還田方式中運用較廣泛的深翻還田和覆蓋還田對土壤酶和產量的影響。本研究擬解決的問題：（1）不同秸稈還田方式對土壤酶和產量的影響；（2）不同秸稈還田方式在玉米不同生長時期對土壤酶活性的影響；（3）基于測定指標判斷適合該區域的秸稈還田的方式。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年在長春市九臺區農業推廣中心（N44°9′，E126°49.8′）進行。試驗地位于吉林省中部松遼平原，年均氣溫4.7℃，≥10℃積溫2 990.7℃，年均日照2 900 h，無霜期150 d左右，年降水量約507.5 mm。土壤類型為黑土，有機質12.20 g/kg，全氮1.96 g/kg，堿解氮78.14 mg/kg，有效磷12.58 mg/kg，速效鉀108.22 mg/kg。

1.2 試驗設計

本試驗以玉米品種“翔玉998”為供試材料，于2017年5月6日播種，共設3個處理：（1）秸稈不還田（CK），同常規種植；（2）秸稈全量深翻還田（SF），在2016年秋季收獲后，用秸稈切碎機將玉米秸稈切短（長度＜10 cm），并均勻拋散于田間；2017年春季，用翻轉犁將秸稈深翻進25～30 cm土中，根據實際情況選擇液壓偏置重耙機或者聯合整地機旋耕耙平，達到播種狀態；（3）秸稈覆蓋還田（FG），播前使用摟草機將寬行秸稈摟到窄行，露出寬行待播苗帶，采用免耕機于壟側精量播種。各處理采用大壟雙行種植方式，壟高12 cm，壟上行距40 cm，壟間行距90 cm，壟長大于150 m，3個處理面積均大于1 000 m2，種植密度為6.5萬株/hm2。各處理施用復合肥555.6 kg/hm2做底肥，后期追施氯化鉀55.5 kg/hm2，尿素228.4 kg/hm2，在玉米整個生育時期均按照高產田進行田間管理。共3次重復，按隨機區組排列。

1.3 樣品采集與測定方法

在玉米生長過程中（5月22日出苗，10月15日收獲），分別在苗期（6月11日）、拔節期（7月5日）、抽雄期（7月25日）、灌漿期（8月29日）和蠟熟期（9月20日）采集3種模式表層（0～20 cm）土壤樣品。按照五點取樣法取樣，并去除樣品中的石塊、作物殘根和雜質，混勻成一個樣品，過2 mm篩，一部分冷藏于0～4℃冰柜中，供測定過氧化氫酶使用，剩下的土壤在測定土壤含水量后風干供測定其它土壤指標。土壤養分均按照常規方法測定［12］，土壤酶活性測定參照關松蔭［13］相關方法：土壤過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法，蔗糖酶活性的測定采用3，5-二硝基水楊酸比色法，脲酶活性的測定采用苯酚-次氯酸鈉比色法，土壤酸性磷酸酶用磷酸苯二鈉法測定。

1.4 數據處理

采用Excel 2010計算繪圖、匯總數據，選擇SPSS 20.0對所得數據進行單因素方差分析，最小顯著差數法進行多重比較差異顯著性檢驗（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同秸稈還田方式對土壤含水量的影響

從表1可以看出，在玉米生長階段，3種模式土壤含水量變化趨勢相同，表現為先增加后降低，而后又增加再降低，在拔節期最高，蠟熟期最低；苗期兩種還田模式的土壤含水量都較對照低，但差異不顯著；后期SF與FG都能顯著提升土壤含水量，且SF與FG差異顯著，玉米抽雄期SF、FG較CK分別顯著增加33.57%、16.20%。由此可見，SF和FG都能夠增加土壤含水量，且SF較FG增加作用更明顯。

表1 不同秸稈還田方式對土壤含水量的影響 （%）

2.2 不同秸稈還田方式對土壤過氧化氫酶活性的影響

由圖1可得，隨著玉米的生長過氧化氫酶活性變動較明顯，3種模式都表現為先增加后下降，在灌漿期最大。苗期3種模式間過氧化氫酶差異不顯著；后期隨著玉米的生長，苗期到灌漿期這段時間，酶活性增加倍數表現為SF＞FG＞CK，且抽雄期SF和FG較CK都顯著增加了14.91%、9.29%，灌漿期分別較CK顯著增加了12.37%和6.02%，但兩種還田處理間差異不顯著；在蠟熟期3種模式過氧化氫酶活性均降低。因此可見，SF和FG都能夠提高土壤過氧化氫酶活性，以SF提高效果最顯著。

圖1 不同秸稈還田方式對過氧化氫酶活性的影響

2.3 不同秸稈還田方式對土壤蔗糖酶的影響

由圖2可知，在玉米生長過程中3種模式蔗糖酶活性變化一致，苗期到灌漿期先增加，灌漿期時為最大，之后又降低至最小，整個時期中以蠟熟期最低，各時期都表現為SF＞FG＞CK；在玉米5個生長時期中SF蔗糖酶活性顯著高過CK；在苗期、拔節期和蠟熟期，FG與CK差異不明顯，另外兩個時期FG顯著高過CK；抽雄期SF和FG較CK分別升高了32.20%和20.26%。由此可見，SF和FG都可以提高土壤蔗糖酶活性，且SF較FG提高作用更明顯。

圖2 不同秸稈還田方式對土壤蔗糖酶的影響

2.4 不同秸稈還田方式對土壤脲酶活性的影響

由圖3可知，在玉米生長中3種模式脲酶活性變化一致，都表現為先增加后降低，于蠟熟期降至最低，以灌漿期最大；苗期和蠟熟期3個處理間脲酶活性差異不明顯；在拔節期和抽雄期，SF顯著高過CK，脲酶活性依次增長29.07%、20.89%，FG較CK脲酶活性分別增加了10.53%和5.84%，但差異不顯著；灌漿期SF和FG之間脲酶活性差異顯著，且都顯著高于CK，與CK相比SF和FG分別增加了28.31%和10.15%。說明秸稈還田能夠加速土壤中尿素轉化和吸收，以采用深翻還田加速作用最強。

圖3 不同秸稈還田方式對土壤脲酶活性的影響

2.5 不同秸稈還田方式對土壤酸性磷酸酶的影響

土壤酸性磷酸酶直接參與有機磷分解和轉化。由圖4可知，在玉米生長過程中3種模式酸性磷酸酶活性變化一致，都表現為先增加后降低，以灌漿期最高，蠟熟期減小至最低；隨不同秸稈還田方式，磷酸酶活性表現為SF＞FG＞CK；在5個時期中除灌漿期外FG和CK的酸性磷酸酶差異不顯著；SF與CK除了在苗期差異不顯著，其它4個時期SF與CK間差異顯著；抽雄期SF和FG較CK升高19.79%和8.59%。因此SF較FG能夠更顯著提高土壤磷酸酶活性。

圖4 不同秸稈還田方式對土壤酸性磷酸酶活性的影響

2.6 秸稈還田方式對土壤養分的影響

由表2可知，3種模式中土壤養分含量在玉米生育期內均表現為先增加后降低，且最高值都在抽雄期，但土壤全氮、全鉀和速效鉀含量的最小值出現在苗期，堿解氮和有效磷含量的最小值在蠟熟期。在抽雄期，土壤全氮、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量SF模式較CK分別顯著增加14.37%、10.05%、3.30%、5.31%和5.24%；而FG較CK依次顯著增加5.99%、5.54%、3.09%、2.08%和2.52%。表明秸稈還田可以增加土壤養分含量，且以深翻還田增加最顯著。

表2 不同秸稈還田方式對土壤養分含量的影響

2.7 秸稈還田方式對玉米產量的影響

通過表3對比分析各處理產量構成因素可知，秸稈深翻還田、覆蓋還田與秸稈不還田處理間穗行數、行粒數、百粒重差異都不顯著；根據方差分析SF和FG較CK顯著增加穗粒重，分別比CK高3.64%和2.93%；分析產量數據發現SF較CK顯著增加了5.59%，FG較CK增加了2.39%，但差異不明顯；所以SF和FG都有利于增加玉米產量，且兩種還田模式間差異不顯著。

表3 不同秸稈還田方式對玉米產量及產量構成因素的影響

3 討論

3.1 不同秸稈還田方式的土壤含水量狀況及影響因素

植物吸收土壤養分的難易程度，既由土壤膠體中速效養分濃度決定，還有賴于遲效養分的有效化進程，而這兩個因素都由土壤含水量和土壤酶活性決定［14］。徐瑩瑩等［15］研究發現，與秸稈不還田相比，還田能提升土層蓄水保墑能力，提高土壤含水量。本試驗結果表明，秸稈深翻還田和覆蓋還田均有利于增加土壤含水量，其中覆蓋還田中秸稈是直接覆蓋在土層表面上，可以減少水分蒸發、降低土壤容重，增加表層土壤孔隙度并提高土壤蓄水保墑能力，從而增加土壤含水量，而深翻還田一方面可以打破犁底層，對土層有疏松作用，提高土壤孔隙度，另一方面深翻還田形成的秸稈層能容納大量雨水，從而更有利于水分保持在土壤中。

3.2 不同秸稈還田方式的土壤酶變化及影響因素

土壤酶活性與土壤理化特征、養分含量和耕作方式有著很緊密的聯系，也是評價土壤供肥水平的關鍵因素［16］。趙亞麗等［17］研究發現各種秸稈還田方式都對土壤酶活性有增強作用，但不同方式增效各異。秸稈在進入土壤的初期，秸稈中的營養物質含量較多，隨著玉米的生長，秸稈腐解的速度增加，引起秸稈營養成分含量不斷降低，造成土壤酶活性會不斷改變［18］。本試驗也表明，隨著玉米不斷生長，各處理土壤酶活性隨時間變化明顯，均表現為先增加后降低，以灌漿期最大，蠟熟期最小。在深翻還田中因為秸稈在土層中，秸稈可以吸附更多的水分并增加有機質，且能夠顯著減少土壤水分蒸發，使得秸稈更容易腐解，從而增加土壤微生物和根系數量，進而使土壤中產生的土壤酶更多；覆蓋還田時覆蓋還田腐解率較低，使得土壤微生物及酶活性低于深翻處理。

3.3 不同秸稈還田對土壤養分含量的影響

在玉米生長初期，根系不發達，所需養分較少，同時施用的肥料會不斷釋放養分，使得前期土壤養分含量不斷增加，后期玉米根系吸收養分的速率高于釋放的速率，因此土壤養分在玉米生育期中表現為先增加后降低。秸稈還田后，秸稈與土壤接觸面積越大，被微生物分解的機會更大，進而促進了土壤養分積累［19］，秸稈在腐解的過程中，能夠增加土壤含水量、酶活性和微生物數量［20］，激活土壤中氮、磷和鉀養分，進而提高速效性養分。因此本研究中秸稈深翻還田更有助土壤養分的增加。

3.4 不同秸稈還田方式對玉米產量的影響

秸稈深翻還田能夠打破犁底層，提高土壤有機質并減少水分散失，使得玉米生長過程中水分充足，長勢旺盛，從而增產顯著［21］；且秸稈還田能夠提高土壤酶活性，進而能夠加快土壤生態系統中物質與能量的循環，從而提高土壤肥力，使得玉米生長過程中養分充足，玉米發育較好，更有利于產量增加［19］，本論文中秸稈深翻后對玉米根系生長和籽粒產量有更好的促進作用。

4 結論

本試驗通過探索不同秸稈還田方式對土壤含水量、土壤酶活性、土壤養分含量和玉米產量的影響，分析在玉米不同生育時期的變化得出如下結論：（1）不同秸稈還田方式與秸稈不還田的土壤含水量隨著玉米生長均表現為相同的變化趨勢，在整個生育時期中，除了苗期秸稈還田土壤含水量低于不還田，其他時期秸稈還田對土壤含水量均有顯著提高作用。（2）不同秸稈還田對土壤酶活性的提高有著顯著的影響，在玉米生育期土壤酶活性均表現為先增加后降低的趨勢，以灌漿期最大，蠟熟期最小。（3）不同秸稈還田對土壤養分的增加有顯著作用，在玉米生育期內，均表現為先增加后降低。（4）不同秸稈還田對玉米產量均有增加作用。（5）秸稈深翻還田較秸稈覆蓋還田更有利于增加土壤水分，提高土壤酶活性，進而提高土壤養分含量和玉米產量，因此可作為當地玉米田秸稈還田方式的首選模式。